CN115124101A - 多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置及其制备方法。该装置包括光热蒸发单元和设置于光热蒸发单元下方的漂浮单元;光热蒸发单元为疏水性的光热材料层和亲水性的供水材料层组成的编织结构,且光热材料层位于供水材料层的上方;光热材料层的孔径为100‑200μm;供水材料层的下端面嵌设于漂浮单元内,并与待处理的水接触。本发明利用光热材料层的高效光热转换效率以及光热材料层和供水材料层的特殊三维多孔结构,实现水分的快速高效蒸发,且避免了盐分的析出。
Description
技术领域
本发明涉及利用太阳能的水蒸发系统技术领域,尤其涉及一种多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置及其制备方法。
背景技术
煤炭作为我国的主要化石能源,现阶段的新型煤化工企业大规模进行煤气化以生产清洁能源,从而取代石化产品。然而煤化工生产过程中的高耗水、高污染一直是煤化工企业的瓶颈问题。我国的水资源和煤炭资源的分布是反向相关的,山西、陕西、宁夏和内蒙自治区检测到的煤炭资源约占全国煤炭资源总量的67%,而水资源却较为短缺。目前,许多地区己经掀起了煤化工企业建设的热潮,但在严重缺水的情况下,我国煤化工企业的发展受到了很大的阻碍,因此煤化工高盐废水的回收至关重要。煤化工高盐废水是指总含盐量为21wt%的废水,属于难降解的废水之一。由于高盐水是经除盐水系统排水、循环水系统排水等产生的浓盐水,其含盐量一般为800-1200mg/L,成分复杂,处理难度大,通常需要另外设置高盐水处理系统。
太阳能作为天然无污染的可再生能源,可以用于加热工业废水、海水等使其蒸发以生产淡水,如此能够缓解能源和水资源短缺两大问题。因此,发展太阳能界面蒸发技术并用于实际生产具有重要的意义。近年来,随着太阳能界面蒸发技术的发展,越来越多的光热基底材料以及太阳能蒸发系统的结构设计逐渐出现在大众的视野当中。然而,在界面光热蒸发过程中,水的蒸发速率、盐在吸光层表面的结晶以及工业盐的回收是阻碍太阳能蒸发系统应用的关键问题。
申请号为CN201911405981.7的专利公开了一种全天候太阳能蒸发净水器,包括透明罩、处理腔、污水腔、多孔吸水材料;多孔吸水材料位于污水腔内,污水腔位于处理腔内;透明罩盖于处理腔上;污水腔设有污水入口,处理腔设有净水出管;多孔吸水材料是将海绵的一部分浸泡在氯化铁溶液中,然后干燥,再与吡咯蒸汽接触,制备得到的。该蒸发器通过将海绵表面选择性改性,将其转化为一种部分黑色疏水、部分亲水的集成蒸发器,充分利用黑色疏水层的高效光热转换能力以及多孔亲水层良好的水输运能力和隔热能力,实现在太阳光照射下高效光热转换。该装置的不足之处在于:(1)疏水层和亲水层是由一整块海绵组成的,海绵虽为多孔结构,但孔径较小,导致两层交界处的孔隙率太小,影响水蒸气的逃逸,使水蒸发速率减慢;(2)海绵较小的孔径导致长期使用,盐分会堵塞孔径,造成蒸发速率的下降和盐分的堆积。
有鉴于此,有必要设计一种改进的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置及其制备方法,以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置及其制备方法,采用上层为疏水性的光热材料层和下层为亲水性的供水材料层编织成的光热蒸发单元,利用光热材料层的高效光热转换效率以及光热材料层和供水材料层的特殊三维多孔结构,实现水分的快速高效蒸发,且避免了盐分的析出。
为实现上述发明目的,本发明提供了一种多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置,包括光热蒸发单元和设置于所述光热蒸发单元下方的漂浮单元;所述光热蒸发单元为疏水性的光热材料层和亲水性的供水材料层组成的编织结构,且所述光热材料层位于所述供水材料层的上方;所述光热材料层的孔径为100-200μm;所述供水材料层的下端面嵌设于所述漂浮单元内,并与待处理的水接触。
作为本发明的进一步改进,所述光热材料层以疏水纤维为经线、光热纤维为纬线编织而成;所述疏水纤维包括尼龙、聚乙烯纤维、陶瓷纤维、聚丙烯纤维中的一种或多种;所述光热纤维包括疏水处理且经过聚吡咯、炭黑或石墨烯修饰的丝瓜络、间隔织物或气凝胶中的一种,优选为疏水处理且经过聚吡咯修饰的丝瓜络;所述丝瓜络的孔径为100-200μm。
作为本发明的进一步改进,所述供水材料层以亲水纤维为经线和纬线编织而成;所述亲水纤维包括棉纤维、粘胶纤维、莫代尔纤维、天丝纤维、蚕丝纤维中的一种或多种;所述供水材料层和所述光热材料层的接触面通过经线固定,且所述供水材料层的宽度大于所述光热材料层的宽度。
作为本发明的进一步改进,所述漂浮单元为疏水性、低密度的多孔泡沫材料,以便使所述多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置漂浮于水面上;所述多孔泡沫材料包括发泡聚苯乙烯、聚氨酯泡沫、聚烯烃泡沫、聚氯乙烯泡沫、酚醛泡沫、树脂泡沫中的一种。
作为本发明的进一步改进,所述漂浮单元的中心为中空结构,且所述漂浮单元上设有穿透整个所述漂浮单元的缝隙,所述供水材料层的两端嵌入所述缝隙中,并与待处理的水接触,以便把水向上传递。
为实现上述发明目的,本发明还提供了一种上述所述的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置的制备方法,包括如下步骤:
S1.将丝瓜络浸入浓度为0.1-0.3mol/L的吡咯溶液中浸泡30-120min,然后将其转移至浓度为0.1-0.3mol/L的三氯化铁溶液中,搅拌1-4h,使吡咯单体在丝瓜络表面原位聚合,第一次洗涤、干燥后得到聚吡咯修饰的丝瓜络;将得到的所述聚吡咯修饰的丝瓜络置于预设浓度的疏水剂中浸泡1-4h,第二次洗涤、干燥后得到疏水处理且经过聚吡咯修饰的丝瓜络;
S2.以步骤S1得到的所述疏水处理且经过聚吡咯修饰的丝瓜络为纬线、疏水纤维为经线,编织成孔径为100-200μm的光热材料层;
S3.以亲水纤维为经线和纬线编织成供水材料层,并将所述供水材料层和所述光热材料层的接触面通过经线固定,且所述光热材料层位于所述供水材料层的上方,形成光热蒸发单元;所述供水材料层的宽度大于所述光热材料层的宽度;
S4.将步骤S3得到的所述光热蒸发单元的所述供水材料层的两端嵌设于漂浮单元中,且能够保证所述供水材料层的两端可以与待处理的水接触,得到多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置;所述漂浮单元的中心为中空结构,且所述漂浮单元上设有穿透整个所述漂浮单元的缝隙,所述供水材料层的两端嵌入所述缝隙中。
作为本发明的进一步改进,步骤S1中,所述疏水剂以甲醇为溶剂,以1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷为溶质,且溶质占溶剂质量的0.1%-5%。
作为本发明的进一步改进,步骤S1中,第一次洗涤、干燥具体为:用1%-10%质量浓度的乙醇溶液清洗数次,以去除残留的化学药品,再在40-80℃下干燥。
作为本发明的进一步改进,步骤S1中,第二次洗涤、干燥具体为:用去离子水清洗数次,再在40-80℃下干燥。
作为本发明的进一步改进,所述多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置,在1kW/m2下的蒸发速率高达1.38kg·m-2·h-1;在风速为3m/s时,1kW/m2下的蒸发速率高达2.60kg·m-2·h-1;在15wt%的高浓度盐水中可以实现稳定而高效的蒸发速率,并且连续8h不会出现盐结晶。
本发明的有益效果是:
(1)本发明提供的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置,光热蒸发单元的上层为编织而成的疏水性的光热材料层,下层为编织而成的亲水性的供水材料组成。首先,光热材料层以疏水纤维为经线、光热纤维为纬线编织而成,光热纤维优选为疏水处理且经过聚吡咯修饰的丝瓜络,丝瓜络的多孔结构和活性基团可以将聚吡咯均匀键合在其表面及内部,再结合聚吡咯优异的光热转换性能,使太阳光在丝瓜络多孔结构的孔隙中进行多重反射与散射,实现全波段太阳光的高效吸收,并将其转化为热能,为水分的蒸发提供尽可能多的热量。其次,光热材料层为特殊三维多孔结构且孔径较大,其孔隙结构更为丰富,能为水蒸气的逃逸提供更多的通道,大的孔径也有利于水蒸气的逃逸;同时,丝瓜络自身为多孔结构,进一步为水蒸气的逃逸提供通道;同时,供水材料层的孔径结构也能够促进水的快速蒸发;再结合风力的协同作用,使水蒸气在疏水/亲水层的交界处能沿各个方向进行快速逃逸;即在光热材料层和供水材料特殊三维多孔结构、特殊孔径、丝瓜络自身多孔结构和风力的协同作用下,为水蒸气的快速逃逸提供保障,从而提高蒸发速率。再次,疏水结构的光热材料层从源头上拒绝了盐分在其表面及内部的结晶;随着水蒸气的快速逃逸,水蒸气逃逸过程会促使流体对流,从而快速转移盐离子,以促使盐离子不断从蒸发界面转出;再结合风力的协同作用,供水材料层使盐离子通过充分的对流作用快速与水体(指待处理的大体积水)进行交换,进而回流进大体积水中,避免疏水/亲水层界面交界处出现盐结晶;光热材料层和供水材料层较大的孔径,不利于盐的吸附,进一步避免盐结晶;即在光热材料层的疏水性、特殊多孔结构、水蒸气快速逃逸和风力的协同作用下,避免了疏水/亲水层界面交界处出现盐结晶。另外,随着水分的不断蒸发,剩余的盐可以进一步回收利用。
(2)本发明通过纺织工艺,利用机织的方法编织的疏水/亲水的双层织物结构很稳定,能够将光热材料层与供水材料层牢牢固定,防止光热蒸发单元结构脱散,并且很容易制得大型一体化结构,适用于实际工业应用;同时,为未来实际工业应用提供了新思路。
(3)本发明的漂浮单元不仅可以使整个装置漂浮在水面上;而且可以起到隔热作用,将待处理的水和光热材料层进行物理分离,避免光热材料层的热量损失,以提高太阳能的热量转化率,进而提高水蒸气的蒸发速率。
附图说明
图1为本发明制备的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置的工作原理示意图。
图2为本发明实施例1制备的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置在1kW/m2下置于纯水中,在无风状态和风速为3m/s的质量损失曲线。
图3a为本发明实施例1制备的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置在不同浓度NaCl溶液中的光热蒸发曲线图;图3b为实施例1制备的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置在光热蒸发8h时的光学图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此,还需要说明的是,为了避免因不必要的细节而模糊了本发明,在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤,而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外,还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本发明提供了一种多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置,包括光热蒸发单元和设置于光热蒸发单元下方的漂浮单元;光热蒸发单元为疏水性的光热材料层和亲水性的供水材料层组成的编织结构,且光热材料层位于供水材料层的上方;光热材料层的厚度为0.5-1cm,孔径为100-200μm;供水材料层的厚度为0.2-0.5cm,孔径为10-50μm;供水材料层的下端面嵌设于漂浮单元内,并与待处理的水接触。如此设置,供水材料层将待处理的水持续不断的输送至光热材料层和供水材料层的交界处,光热材料层将太阳能转化为热能,并将两者交界处的水蒸发,蒸发出来的水蒸气通过多孔结构进行逃逸;同时漂浮单元使多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置漂浮于水面上,实现自漂浮功能。
具体地,光热材料层以疏水纤维为经线、光热纤维为纬线编织而成。其中,疏水纤维包括尼龙、聚乙烯纤维、陶瓷纤维、聚丙烯纤维中的一种或多种;光热纤维包括疏水处理且经过聚吡咯、炭黑或石墨烯修饰的丝瓜络、间隔织物或气凝胶中的一种,优选为疏水处理且经过聚吡咯修饰的丝瓜络,该丝瓜络能够吸收全波段的太阳光,从而提高热能转化率。疏水纤维的直径为0.5-2mm,光热纤维的直径为0.5-2mm,丝瓜络的孔径为100-200μm。
供水材料层以亲水纤维为经线和纬线编织而成。亲水纤维包括棉纤维、粘胶纤维、莫代尔纤维、天丝纤维、蚕丝纤维中的一种或多种,直径为0.5-2mm。供水材料层和光热材料层的接触面通过经线固定,且供水材料层的宽度大于光热材料层的宽度。
在传统的蒸发装置中,光热材料层为亲水性,在蒸发一些高浓度的盐水时,由于光热材料层的亲水性,使蒸发过程中光热材料层表面及内部的水分中盐含量不断增加,当盐含量大于最大溶解量后,就会在光热材料层的表面及内部析出盐分(即出现盐结晶),从而影响太阳光的吸收以及水蒸气的逃逸,造成蒸发速率越来越缓慢。而本发明提供的这种多孔疏水/亲水结构,由于光热材料层为疏水的,能够从根源上阻止盐水浸润光热材料层的表面及内部,从而避免出现盐结晶,使蒸发效率不会受到影响。
漂浮单元为疏水性、低密度(密度小于水)的多孔泡沫材料,以便使该多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置能够漂浮于水面上,实现自漂浮。多孔泡沫材料包括发泡聚苯乙烯、聚氨酯(PU)泡沫、聚烯烃泡沫、聚氯乙烯(PVC)泡沫、酚醛泡沫、树脂泡沫中的一种。具体地,漂浮单元的中心为中空结构,且漂浮单元上设有穿透整个漂浮单元的缝隙,供水材料层的两端嵌入缝隙中,并与待处理的水接触,以便把水向上传递。漂浮单元一方面可以使整个装置漂浮在水面上;另一个方面,可以起到隔热作用,即将待处理的水和光热材料层进行物理分离,避免光热材料层的热量损失,以提高太阳能的热量转化率,进而提高水蒸气的蒸发速率。
如图1所示(图中未画出漂浮单元),本发明制备的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置的工作原理为:光热材料层将太阳能转化为热能,将光热材料层和供水材料层交界处的水蒸发,蒸发出来的水蒸气通过光热材料层特殊的多孔结构进行逃逸。首先,光热材料层具有特殊的孔径,有利于水蒸气的快速逃逸;其次光热材料层和供水材料层为三维结构,其孔隙结构更为丰富,为水蒸气的逃逸提供更多的通道;再结合丝瓜络自身的多孔结构,进一步提高水蒸气的逃逸速率。随着水蒸气的快速逃逸,水蒸气逃逸过程会促使流体对流,从而快速转移盐离子,以促使盐离子不断从蒸发界面转出,实现高效抗盐的目的。
本发明还提供了一种上述所述的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置的制备方法,包括如下步骤:
S1.疏水处理且经过聚吡咯修饰的丝瓜络的制备
将丝瓜络浸入浓度为0.1-0.3mol/L的吡咯溶液中浸泡30-120min,丝瓜络为特殊的多孔结构,且丝瓜络骨架表面有较多羟基等活性基团,丝瓜络和吡咯能够通过氢键键合在一起,使吡咯均匀、稳定地键合在丝瓜络的表面。
然后将其转移至浓度为0.1-0.3mol/L的三氯化铁溶液中,放在磁力搅拌器上搅拌1-4h。在三氯化铁的催化作用下,吡咯单体在丝瓜络表面原位聚合,使丝瓜络的表面和孔隙内部均匀生长有聚吡咯。接着用1%-10%质量浓度的乙醇溶液清洗数次,以去除残留的化学药品,再在40-80℃下干燥,得到聚吡咯修饰的丝瓜络。聚吡咯作为优质的光热转换材料,能够吸收全波段的太阳光,并将其转化为热能,同时借助丝瓜络特殊的多孔结构和分子结构,聚吡咯均匀键合在丝瓜络的表面及内部,并通过丝瓜络多孔结构的多重反射与散射实现全波段太阳光的高效吸收,并将其转化为热能。
将得到的聚吡咯修饰的丝瓜络置于预设浓度的疏水剂中浸泡1-4h,用去离子水清洗数次,再在40-80℃下干燥,得到疏水处理且经过聚吡咯修饰的丝瓜络。其中,疏水剂以甲醇为溶剂,以1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷为溶质,且溶质占溶剂质量的0.1%-5%。借助1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷优异的疏水性,所得疏水处理且经过聚吡咯修饰的丝瓜络也具有优异的疏水性。
S2.光热材料层的制备
将步骤S1得到的疏水处理且经过聚吡咯修饰的丝瓜络裁剪好并作为纬线、疏水纤维为经线,编织成厚度为0.5-1cm、孔径为100-200μm的光热材料层。
S3.光热蒸发单元的制备
以亲水纤维为经线和纬线,利用平纹结构编织成厚度为0.2-0.5cm、孔径为10-50μm的供水材料层,并将供水材料层和光热材料层的接触面通过经线固定,且光热材料层位于供水材料层的上方,形成光热蒸发单元。
其中,所得光热蒸发单元为双层织物机编织的纹板图。供水材料层的宽度大于光热材料层的宽度。编织结构将光热材料层与供水材料层牢牢固定,防止结构脱散,并且很容易制得大型一体化结构,适用于实际工业应用。
S4.多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置的制备
将步骤S3得到的光热蒸发单元的供水材料层的两端嵌设于漂浮单元中,且能够保证供水材料层的两端可以与待处理的水接触,得到多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置。
漂浮单元的中心为中空结构,且漂浮单元上设有穿透整个漂浮单元的缝隙,供水材料层的两端嵌入所述缝隙中。
所得多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置,在一个标准模拟太阳光下即1kW/m2下的蒸发速率高达1.38kg·m-2·h-1;在风速为3m/s时,1kW/m2下的蒸发速率高达2.60kg·m-2·h-1;在15wt%的高浓度盐水中可以实现稳定而高效的蒸发速率,并且连续8h不会出现盐结晶。这项工作为改善目前基于界面蒸发的太阳能淡化高浓度盐水系统的高效蒸气生成提供了一个很有前景的策略。
下面通过多个实施例对本发明进行详细描述:
实施例1
一种多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置的制备方法,包括如下步骤:
S1.疏水处理且经过聚吡咯修饰的丝瓜络的制备
将丝瓜络浸入浓度为0.12mol/L的吡咯溶液中浸泡30min,然后将其转移至浓度为0.15mol/L的三氯化铁溶液中,放在磁力搅拌器上搅拌60min,使丝瓜络的骨架表面均匀生长有聚吡咯。
接着用5%质量浓度的乙醇溶液清洗数次,以去除残留的化学药品,再在60℃下干燥,得到聚吡咯修饰的丝瓜络。
将得到的聚吡咯修饰的丝瓜络置于预设浓度的疏水剂中浸泡2h,用去离子水清洗数次,再在60℃下干燥,得到疏水处理且经过聚吡咯修饰的丝瓜络。其中,疏水剂以甲醇为溶剂,以1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷为溶质,且溶质占溶剂质量的1%。
S2.光热材料层的制备
将步骤S1得到的疏水处理且经过聚吡咯修饰的丝瓜络裁剪好并作为纬线、尼龙为经线,编织成厚度为0.6cm、孔径为100-200μm的光热材料层。
尼龙的直径为1.5mm,疏水处理且经过聚吡咯修饰的丝瓜络的孔径为100-200μm。
S3.光热蒸发单元的制备
以亲水棉线为经线和纬线,利用平纹结构编织成厚度为0.2cm、孔径为10-50μm的供水材料层,并将供水材料层和光热材料层的接触面通过经线固定,且光热材料层位于供水材料层的上方,形成光热蒸发单元。其中,供水材料层的宽度大于光热材料层的宽度。所得光热蒸发单元为双层织物机编织的纹板图。亲水棉线的直径为1.5mm。
S4.多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置的制备
将步骤S3得到的光热蒸发单元的供水材料层的两端嵌设于漂浮单元中,且能够保证供水材料层的两端可以与待处理的水接触,得到多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置。
漂浮单元的中心为中空结构,且漂浮单元上设有穿透整个漂浮单元的缝隙,供水材料层的两端嵌入所述缝隙中。
试验例
将实施例1制备的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置处于不同风力作用下,并置于一个标准模拟太阳光下(即1kW/m2)、同时置于纯水中进行光热蒸发测试。如图2所示,在无风状态下,光强为1kW/m2下,测得水的蒸发速率高达1.38kg·m-2·h-1;在风速为3.0m/s、且光强为1kW/m2下,测得水的蒸发速率高达2.60kg·m-2·h-1,明显高于无风状态(1.38kg·m-2·h-1)的结果。
将实施例1制备的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置处于3.0m/s的风速下,并置于一个标准模拟太阳光下(即1kW/m2),同时置于不同浓度的NaCl溶液中进行连续8h的光热蒸发测试。其中,NaCl溶液的质量分数分别为3.5%、10%和15%。
如图3a所示,该蒸发装置在质量分数分别为3.5%、10%和15%的NaCl溶液中的蒸发速率趋于稳定,且随着NaCl溶液浓度的增加,由于蒸发焓上升蒸发速率略有减小,影响不大。
如图3b所示,该蒸发装置在不同浓度的NaCl溶液中,光热材料层的表面及内部均未产生盐结晶,说明该装置的蒸发速率和稳定性均较好,可以长期稳定地工作。
如图1所示的工作原理示意图。蒸发机理如下:在风力作用下,光热材料层特殊的多孔结构能够使风力不断通过,增大蒸发界面(即光热材料层和供水材料层交界处)风的对流,在光热材料层产生的热能与风能的协同作用下,使水蒸气在疏水/亲水层的交界处能沿各个方向进行快速逃逸(无风状态下,水蒸气的逃逸方向较为单一),再结合光热材料层较大的孔径,进一步使水蒸气快速逃逸。供水材料层的孔径结构也能够促进水的快速蒸发,在光热材料层和供水材料层的协同作用下,进一步加快水的蒸发。
抗盐机理如下:首先,疏水结构的光热材料层从源头上拒绝盐分在其表面及内部的结晶;其次,在风力作用下,供水材料层使盐离子通过充分的对流作用快速与水体(指待处理的大体积水)进行交换,进而回流进大体积水中,避免疏水/亲水层界面交界处出现盐结晶;另外,光热材料层和供水材料层较大的孔径,不利于盐的吸附,进一步避免盐结晶。另外,随着水分的不断蒸发,剩余的盐可以进一步回收利用。
综上所述,本发明提供的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置及其制备方法,在光热材料层特殊三维多孔结构、特殊孔径、丝瓜络自身多孔结构和风力的协同作用下,为水蒸气的逃逸提供保障,从而提高蒸发速率;在光热材料层的疏水性、特殊多孔结构、水蒸气快速逃逸和风力的协同作用下,避免了疏水/亲水层界面交界处出现盐结晶;利用机织的方法编织的疏水/亲水的双层织物结构很稳定,能够将光热材料层与供水材料层牢牢固定,防止结构脱散,并且很容易制得大型一体化结构,适用于实际工业应用。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置,其特征在于:包括光热蒸发单元和设置于所述光热蒸发单元下方的漂浮单元;所述光热蒸发单元为疏水性的光热材料层和亲水性的供水材料层组成的编织结构,且所述光热材料层位于所述供水材料层的上方;所述光热材料层的孔径为100-200μm;所述供水材料层的下端面嵌设于所述漂浮单元内,并与待处理的水接触。
2.根据权利要求1所述的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置,其特征在于:所述光热材料层以疏水纤维为经线、光热纤维为纬线编织而成;所述疏水纤维包括尼龙、聚乙烯纤维、陶瓷纤维、聚丙烯纤维中的一种或多种;所述光热纤维包括疏水处理且经过聚吡咯、炭黑或石墨烯修饰的丝瓜络、间隔织物或气凝胶中的一种,优选为疏水处理且经过聚吡咯修饰的丝瓜络;所述丝瓜络的孔径为100-200μm。
3.根据权利要求2所述的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置,其特征在于:所述供水材料层以亲水纤维为经线和纬线编织而成;所述亲水纤维包括棉纤维、粘胶纤维、莫代尔纤维、天丝纤维、蚕丝纤维中的一种或多种;所述供水材料层和所述光热材料层的接触面通过经线固定,且所述供水材料层的宽度大于所述光热材料层的宽度。
4.根据权利要求3所述的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置,其特征在于:所述漂浮单元为疏水性、低密度的多孔泡沫材料,以便使所述多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置漂浮于水面上;所述多孔泡沫材料包括发泡聚苯乙烯、聚氨酯泡沫、聚烯烃泡沫、聚氯乙烯泡沫、酚醛泡沫、树脂泡沫中的一种。
5.根据权利要求4所述的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置,其特征在于:所述漂浮单元的中心为中空结构,且所述漂浮单元上设有穿透整个所述漂浮单元的缝隙,所述供水材料层的两端嵌入所述缝隙中,并与待处理的水接触,以便把水向上传递。
6.一种权利要求1至5任一项所述的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:
S1.将丝瓜络浸入浓度为0.1-0.3mol/L的吡咯溶液中浸泡30-120min,然后将其转移至浓度为0.1-0.3mol/L的三氯化铁溶液中,搅拌1-4h,使吡咯单体在丝瓜络表面原位聚合,第一次洗涤、干燥后得到聚吡咯修饰的丝瓜络;将得到的所述聚吡咯修饰的丝瓜络置于预设浓度的疏水剂中浸泡1-4h,第二次洗涤、干燥后得到疏水处理且经过聚吡咯修饰的丝瓜络;
S2.以步骤S1得到的所述疏水处理且经过聚吡咯修饰的丝瓜络为纬线、疏水纤维为经线,编织成孔径为100-200μm的光热材料层;
S3.以亲水纤维为经线和纬线编织成供水材料层,并将所述供水材料层和所述光热材料层的接触面通过经线固定,且所述光热材料层位于所述供水材料层的上方,形成光热蒸发单元;所述供水材料层的宽度大于所述光热材料层的宽度;
S4.将步骤S3得到的所述光热蒸发单元的所述供水材料层的两端嵌设于漂浮单元中,且能够保证所述供水材料层的两端可以与待处理的水接触,得到多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置;所述漂浮单元的中心为中空结构,且所述漂浮单元上设有穿透整个所述漂浮单元的缝隙,所述供水材料层的两端嵌入所述缝隙中。
7.根据权利要求6所述的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置的制备方法,其特征在于:步骤S1中,所述疏水剂以甲醇为溶剂,以1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷为溶质,且溶质占溶剂质量的0.1%-5%。
8.根据权利要求6所述的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置的制备方法,其特征在于:步骤S1中,第一次洗涤、干燥具体为:用1%-10%质量浓度的乙醇溶液清洗数次,以去除残留的化学药品,再在40-80℃下干燥。
9.根据权利要求6所述的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置的制备方法,其特征在于:步骤S1中,第二次洗涤、干燥具体为:用去离子水清洗数次,再在40-80℃下干燥。
10.根据权利要求6所述的多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置的制备方法,其特征在于:所述多孔疏水/亲水结构的界面蒸发装置,在1kW/m2下的蒸发速率高达1.38kg·m-2·h-1;在风速为3m/s时,1kW/m2下的蒸发速率高达2.60kg·m-2·h-1;在15wt%的高浓度盐水中可以实现稳定而高效的蒸发速率,并且连续8h不会出现盐结晶。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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